标准电能表检定装置小电流工况下的准确度分析

吴剑芳，黄恒孜，李亦龙，邹成伍，肖 涛

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

电能表作为电能计量的主要器具，其准确度是每个用户极为关注的问题，现行电子式电能表主要包括有功电能表、无功电能表、多费率电能表、多功能电能表、最大需量电能表和标准电能表[1－2]。其中，标准电能表一般作为电能表检定装置的主标准器，在整个电能计量量值传递及溯源体系中具有举足轻重的作用。标准电能表是电能计量体系中量值溯源和量值传递的中间媒介[3－4]，主要具有测量准确度高、功能强、测量范围广等特点。由于其准确度高这一特点，对标准电能表的检定装置就提出了比较高的要求。另外，在OMIL（国际法制计量组织）技术委员会组织起草的电能表国际建议IR46中取消了基本电流Ib与额定电流In的定义，取而代之的是最大电流Imax、最小电流Imin、过渡电流Itr和起动电流Ist，将电能表等级重新划分为A，B，C，D，以4个电流划分电能表的最大允许误差，并明确要求对0.2S级的3×0.3（1.2）A电能表在3 mA时的电能准确度进行检定。与现行标准相比，有关小电流输出的要求更为严格。实验数据发现，在相同条件下，同一测量人员使用相同等级的装置对同一标准表进行测量，覆盖电流范围0.005～100 A，当电流小于10 mA时，某些装置的测量准确度较低。

从三相电能表检定装置在小电流工况下的情况着手，采用德国ZERA公司MTS320稳定源，配置1台0.01级COM3003标准电能表构成1套三相电能表检定装置，选择合适的测量方法与现有2套国内同等级不同厂家生产的检定装置（装置A，装置B）进行对比分析，通过实际数据说明MTS320检定装置的应用效果，证明该装置的准确性与实用性。

1 测量方法

三相标准电能表的检定常通过标准表法来实现。以标准电能表作为装置主标准器，同时用于其输出电压、电流、频率的监视和反馈。将标准表与被检表同时测定的电能值进行比较，从而确定被检表的相对误差[4－5]。其原理如图1所示。

图1 标准表法原理框

数学模型：

式中：γ为被检表相对误差；W为被检电能表输出电能值；W0为标准电能表输出电能值。

2 实例分析

以1只具有良好稳定性，准确度等级为0.01级的三相标准电能表作为被试品，分别用现有的三相电能表检定装置（装置A，装置B）及MTS320对该被试品进行测试，着重考察小电流（10 mA及以下）工况下，将同一块标准表的误差测试数据与该标准表送上级机构的量传数据进行比较分析，数据如表1所示。

表1中，MTS320的测试数据与上级机构差值较小。装置A和装置B的测试数据，尤其是在功率因数不为1.0时，相差较大。以三相不平衡负载220 V，5 mA，功率因数为0.5C时为例，此时装置A的测试值与上级机构量传值相差0.021，装置B相差0.043，差值较大。

表1 小电流工况下测试数据

经研究发现，装置A与MTS320在小电流工况下，都是由装置直接输出稳定的小电流给被试品，而装置B则是输出5 A电流然后经分流器转换为相应小电流输出到被试品，因此分流器又会产生额外的附加误差。

但装置A虽然能直接输出较稳定的小电流，没有分流器产生的附加误差，在小电流时的误差测试值与上级机构的量传值也比装置B稍小，但其对被试品进行小电流测试时，采样速度慢，测试时间大约是MTS320的4倍。

计量标准的重复性是指在相同测量条件下，重复测同一个被测量，提供相近示值的能力，通常用测量结果的分散性来定量地表示，即用单次测量的实验标准差s（yi）来表示。用上级机构1台0.01级的RD－33三相标准功率电能表对3台装置在三相平衡负载小电流下进行量传，如表2所示，其中s是指测量结果的实验标准差。

对比3组数据，在小电流工况下，装置A和装置B的实验标准差都较MTS320大，尤其装置B的实验标准差较大。其中，装置B在三相平衡负载220 V，5 mA，功率因数为1.0时，实验标准差为0.004 24%，而MTS320在这点的实验标准差仅为0.000 06%，根据重复性的定义，说明MTS320在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，提供相近示值的能力比另外2台装置要好。

装置A和装置B在小电流时，由于采样准确度不够，再加上自身结构的问题，测得的误差值变化较大，实验标准差较大。以装置B在220 V，0.005 A，功率因数为1.0，平衡负载时为例，测定的10次误差值中误差最大值为+0.006 7%，最小值为－0.006 8%，误差算术平均值为－0.001 1%，修约后误差值为－0.001%，并不能反映被试品误差的真实情况。

前文已经提到，小电流时装置B是通过分流器转换，而装置A和MTS320是向被试品直接输出稳定的5 mA电流。其中，输出功率稳定度是电能表检定装置的重要技术指标之一[6－7]，为了对装置的功率输出进行分析，以下对小电流下装置的输出功率稳定度进行评定。

3 输出功率稳定度评定

采用简易峰—峰值评定法[8]对装置进行输出功率稳定度评定。研究表明，在时限T内的平均功率为：

表2 小电流工况下上级机构对3台装置的量传值

式中：Pmax为在观测时限内功率最大值；Pmin为观测时限内功率最小值。功率的最大变化范围ΔP=（Pmax－Pmin）， 由此推导出功率稳定度 rp为：

在进行功率稳定度的测定时，每隔1～1.5 s采集1次数据，因此在2 min内至少能得到80个数据，并且要求的功率变化程度通常要小于0.5%。因此，最初调定的功率也就是首次功率读数为：

所以：

在规定的参比条件下，对3台装置分别施加3×220 V，3×5 A，PF=1.0的电压电流，进行不少于2 h的预热后，再给装置施加3×220 V，3×5 mA，PF=1.0的电压电流，用1台精度为0.01级的RD－33三相标准功率电能表每隔1 s采集1次数据，共采集100个数据，然后用简易峰—峰值的方法对装置进行功率稳定度评定。图2所示为数据的输出功率散点。

图2 输出功率散点

将数据代入公式（5），通过计算，得到装置A在小电流时的输出功率稳定度为0.017 2%，装置B为0.011 2%，MTS320为0.0010%。装置A和装置B的输出功率稳定度与MTS320相差整整一个数量级。由此可见，当采用小电流输出时，装置A和装置B的输出功率稳定度明显劣于MTS320，这也导致了在日常检定工作中，采用小电流输出时，出现误差变化范围大，装置重复性大，输出结果准确度低的情况。

4 结语

通过对3台装置在小电流工况下对标准表的检定以及采用简易峰—峰值评定法对输出功率稳定度进行评定，发现MTS320在小电流工况下，能准确测试出被试品的基本误差，更能适应IR46电能表国际建议的要求。现有国内网省级标准主流配置是进口标准表与国产功率源的组合，但由于国产功率源在小电流下，输出功率稳定度较差，测量重复性较大，不能满足量值传递的需要，应进一步提升。计量是科技、工业、经济发展的重要技术基础之一，而标准表作为居民用电能表检定的标准器，标准表检定的准确度更是值得关注[9－10]。新装置的投用，对标准表的检定、准确度修正，尤其是小电流下的检定，有更好的保障。

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